廣西大廠礦田深部成礦預(yù)測及成礦機制研究

劉成功，景建恩，金勝，魏文博

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083; 2.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000; 3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室，北京 100083)

0 引言

礦產(chǎn)資源是人類社會和經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，由于淺層礦產(chǎn)資源不斷開采而日趨減少，深部礦產(chǎn)資源勘查成為世界各國的勘查重點，尋找和開發(fā)深部隱伏礦床已成為礦產(chǎn)資源勘查的新內(nèi)容和新挑戰(zhàn)，也是解決危機礦山，延長礦山服務(wù)壽命的有效途徑[1]。深部找礦存在諸多困難和不確定因素，地球物理方法作為開展深部找礦工作的主要技術(shù)手段之一，越來越受到礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域的重視[2-3]。

廣西大廠礦田是世界知名的錫(Sn)多金屬礦田之一，成礦條件優(yōu)越，已探明大、中型礦床數(shù)十個，產(chǎn)有豐富的錫、鋅、銀、銻、銅、汞、鎢等多種礦產(chǎn)資源。大廠礦田淺部至中深部已發(fā)現(xiàn)有長坡—銅坑礦床、巴力礦床、瓦窯山礦床、大福樓礦床、灰樂礦床、亢馬礦床等高溫巖漿熱液型錫礦床，以及黑水溝—大樹腳鋅銅礦、拉么礦床等接觸交代型鋅銅礦床和茶山銻鎢礦產(chǎn)[4-6]。經(jīng)過幾十年的開采，現(xiàn)有可開采資源儲備嚴重不足，迫切需要增加礦山的資源儲量，以延長礦山的開采壽命。目前，大廠礦田西礦帶除黑水溝—長坡礦區(qū)，其他大部分已知礦床的勘查深度不超過600 m，已知礦床周邊和深部成礦條件好，限于前人的勘查技術(shù)，留下了大量“空白區(qū)”[7]。NW、NE向斷裂構(gòu)造附近，隱伏巖體接觸帶及其附近的找礦遠景良好；沿響水灣至茶山一線都有尋找鎢銻和鋅銅礦的前景[8-9]。

音頻大地電磁測深(AMT)法具有探測深度大、操作方便、對低阻層反應(yīng)靈敏等優(yōu)點，在礦產(chǎn)資源勘查方面得到了廣泛應(yīng)用[10-11]。本文為研究大廠礦田籠箱蓋花崗巖體外圍隱伏礦床的分布，對礦集區(qū)的AMT數(shù)據(jù)進行精細處理，得到地下2 500 m深度的電阻率模型，結(jié)合已有的地球物理和巖石物性資料，確定花崗巖體和隱伏礦體的位置，并討論大廠礦田的成礦機制。

1—斷裂；2—背斜；3—礦田；4—花崗巖；5—槽盆界限；6—推測花崗巖體 1—fracture; 2—anticline; 3—ore field; 4—granite; 5—basin boundary; 6—speculative granite圖1 丹池成礦帶構(gòu)造和礦產(chǎn)分布(據(jù)徐新煌等[12]修改)Fig.1 Structure and mineral distribution map of The Danchi metallogenic belt (modified by Xu Xinhuang et al[12])

1 地質(zhì)環(huán)境

華南是我國 Sn、W、Sb及其他有色金屬礦產(chǎn)資源最為豐富的地區(qū)，廣西大廠礦田位于華南加里東褶皺系和揚子地臺交接部位，具體位于江南古陸西南緣、右江盆地北東側(cè)、NW 向丹池褶斷帶中段[12-13](圖1)。受丹池斷裂帶的控制，區(qū)內(nèi)出露中泥盆統(tǒng)生物礁灰?guī)r、粉砂巖和頁巖，上泥盆統(tǒng)灰?guī)r和硅質(zhì)頁巖，石炭系至二疊系頁巖、粉砂巖和石灰?guī)r，夾雜少量的二疊系灰?guī)r和砂巖(圖2)。主要賦礦地層為泥盆系納標組(D2n)、羅富組(D2l)、榴江組(D3l)、五指山組(D3w)，同車江組(D3t)中礦化較弱[14]。礦田內(nèi)的主要構(gòu)造為NNW向的復(fù)式褶皺，NW向丹池背斜和丹池斷裂帶組成了區(qū)內(nèi)構(gòu)造格架，NE、SN及EW向構(gòu)造疊加其上[15-16]。

在NW、NE兩組斷裂的交匯部位，巖漿活動極其發(fā)育，以燕山中—晚期中酸性淺成巖為主。區(qū)內(nèi)產(chǎn)出的巖石類型有花崗巖、花崗斑巖、閃長玢巖等。巖漿巖主要出露于大廠礦田中部的龍箱蓋一帶，地表分布面積較小，僅0.5 km2，經(jīng)鉆孔資料和重、磁的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地表出露的小巖體下部存在一個巨大的隱伏巖株，并延伸到了西礦帶的巴里、銅坑、長坡礦區(qū)深部[17-19]。根據(jù)SHRIMP 鋯石U-Pb方法確定，籠箱蓋花崗巖中黑云母花崗巖的年代為93±1 Ma，斑巖花崗巖的年代為91±1 Ma，花崗斑巖的年代為91±1 Ma，閃長斑巖的年代為91±1 Ma，均屬于燕山期熱事件的產(chǎn)物[20-21]。拉么矽卡巖銅鋅礦床(圖2)[16]位于上泥盆統(tǒng)灰?guī)r與花崗巖體的接觸帶；銅坑—長坡、巴厘、龍頭山、大福樓、灰樂、亢馬多錫金屬礦沿花崗巖的東西邊緣分布?；◢弾r中主要成礦元素Sn、Cu、Sb、W、Ag的含量一般高于其他花崗巖平均值的數(shù)倍或數(shù)十倍，因此，花崗巖分布區(qū)域是尋找礦體的有利靶區(qū)[22]。

圖2 大廠礦田地質(zhì)構(gòu)造及礦產(chǎn)分布(據(jù)蔡明海等[16]修改)Fig.2 Geological structure and mineral distribution map of the large factory ore field (modified by Cai Minghai et al[16])

2 AMT數(shù)據(jù)處理

為了研究大廠田深部隱伏礦體的分布特征，在大廠礦田中段布設(shè)了1條音頻大地電磁測深(AMT)剖面(見圖2)，測線全長約6 000 m，方位NE20°，橫跨籠箱蓋斷裂和籠箱蓋背斜構(gòu)造。野外數(shù)據(jù)采集使用加拿大鳳凰公司MTU-5A型大地電磁測深儀，數(shù)據(jù)采集過程中采用張量測量方式布極，每個測點測量2個磁場分量(Bx，By)和2個相互正交的水平電場分量(Ex，Ey)。大地電磁測深點采集過程中使用GPS同步觀測，采集時間均在4～5 h。對采集的原始時間序列數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變換，將時間域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率域數(shù)據(jù)，再通過Robust估計、遠參考、功率譜挑選等技術(shù)處理，獲得了高質(zhì)量的阻抗數(shù)據(jù)。圖3給出了A04測點和A10測點的視電阻率和相位曲線。

阻抗二維偏離度也是描述地下介質(zhì)構(gòu)造維度的重要指標，根據(jù)維性分析結(jié)果，剖面二維偏離度基本都小于0.3，呈現(xiàn)二維構(gòu)造特征。同時，研究表明，大廠礦田礦脈嚴格受到呈二維NW向控礦構(gòu)造的制約，本文采用的AMT 測線是垂直于構(gòu)造走向布設(shè)的，因此，對測線AMT數(shù)據(jù)進行二維反演建模是合理可行的。采用G-B阻抗張量分解技術(shù)[23]進行電性主軸分析，存在60°和150°兩個優(yōu)勢主軸方向(圖4)，由于本區(qū)主要為NW向斷裂構(gòu)造，由此確定電性主軸方向為NE150°，據(jù)此將阻抗數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)到電性主軸方向。為克服三維畸變的影響，實踐中多采用TM或 TE+TM聯(lián)合模式進行大地電磁數(shù)據(jù)二維反演[24]。本文應(yīng)用非線性共軛梯度(NLCG)算法[25]對AMT數(shù)據(jù)選取TE+TM模式的數(shù)據(jù)參與反演。對于AMT剖面TE+TM數(shù)據(jù)反演參數(shù)設(shè)置為：TE模式視電阻率誤差為20%，相位誤差為10%，TM模式視電阻率誤差為10%，相位誤差為5%，采用L曲線法[26]確定正則化因子為5(圖5)，迭代168次后，獲得大廠礦區(qū)中部二維電阻率模型(圖6)。

圖3 部分測點的視電阻率和相位Fig.3 Apparent resistivity and phase diagram of some measuring points

圖4 電性主軸分頻統(tǒng)計結(jié)果Fig.4 Strike analysis results for the specfic corresponding frequency band

3 電性結(jié)構(gòu)分析

礦區(qū)巖礦石標本電阻率測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果：礦石0.5～35 Ω·m，尾礦砂40 Ω·m左右，炭質(zhì)層和圍巖(灰?guī)r、硅質(zhì)巖、大理巖等)電阻率約100～1 000 Ω·m，圍巖與礦體存在明顯的電性差異[27]。電性結(jié)果顯示，沿剖面自西向東存在3個不連續(xù)的高導(dǎo)體(C1、C2、C3)和2個不連續(xù)高阻塊體(R1、R2)，高導(dǎo)和高阻區(qū)域形態(tài)分明。高阻異常體R1呈錐形隆起(圖6中虛線所示部位)，其深部電阻率可能高達2 000 Ω·m以上，與兩側(cè)圍巖存在明顯的電性差異。根據(jù)大廠礦田1∶20萬和1∶5萬重力研究發(fā)現(xiàn)，籠箱蓋巖體頂部沿丹池斷裂、銅坑—灰樂橫斷裂、大廠斷裂均呈脊?fàn)盥∑餥17,19]；此外，根據(jù)大廠礦田巖石物性測試和鉆探資料，花崗巖呈高阻特征[7]，由此推斷高阻異常體R1可能為隱伏的籠箱蓋花崗巖體，其頂板埋深約1 500 m。高阻體R2形態(tài)呈不規(guī)則塊狀，埋深西淺東深，電阻率值在1 000 Ω·m以上；地層以中泥盆統(tǒng)生物礁灰?guī)r為主，推測高阻體R2主要是致密的生物礁灰?guī)r。

圖5 不同正則化因子反演得到的模型粗糙度與擬合差曲線Fig.5 Model roughness and fitting difference curve of inversion by different regularization factors

圖6 大廠礦區(qū)電阻率模型Fig.6 Resistivity map of Dachang deposit

大廠礦田隱伏礦體為多金屬礦體，呈低阻(高導(dǎo))特征，因此，高導(dǎo)體是尋找隱伏礦床的重點區(qū)域。結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造和巖石的物性特征，對高導(dǎo)體的成因進行了討論。高導(dǎo)體C1位于丹池背斜殘留的石炭系灰?guī)r地層，因地層剝蝕嚴重，灰?guī)r裂隙和節(jié)理極為發(fā)育，推斷低阻體C1可能是破碎的石炭系灰?guī)r風(fēng)化帶。高導(dǎo)體C2出露于上泥盆統(tǒng)灰?guī)r和硅質(zhì)頁巖地層中，緊鄰籠箱蓋斷裂，異常中心位于地表，推斷高導(dǎo)體C2可能是由于上泥盆沉積層遭到破壞形成的局部破碎帶。高導(dǎo)體C3埋深較大，位于拉么Zn-Cu礦床和茶山Sn-W礦床之間，與深部脊?fàn)盥∑鸬幕◢弾r相互伴生，推測其可能是深部隱伏礦床。

4 討論

4.1 隱伏礦床的討論

整個礦田內(nèi)礦體同屬于一個巖漿活動成礦系統(tǒng)，各類矽卡巖型礦床圍繞巖籠箱蓋花崗巖體中心呈環(huán)狀分布，矽卡巖系統(tǒng)位于碳酸鹽巖中，橫向和垂直都與花崗巖相接觸[28-29]?；◢弾r體向外依次為鋅銅礦床(局部疊加有晚期的鎢銻礦化)、錫多金屬礦床、鉛鋅銀礦床和汞銻礦床，各環(huán)之間有著明顯的疊加和漸變現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，一般矽卡巖型鋅銅礦距離花崗巖體約0～200 m，鋅礦體約200～600 m，銻鎢礦約500～2 000 m，錫石硫化物型礦床約600～2 000 m，鉛鋅銀礦約800～3 000 m[30]。接觸交代型鋅銅礦床，位于大廠礦田籠箱蓋隱伏巖漿房的頂部及其周邊，這類礦床成礦作用主要集中出現(xiàn)在巖漿房高位突出的頂界面凹凸部位及其內(nèi)外接觸帶范圍。根據(jù)本文所獲得的電阻率模型，高導(dǎo)體C3位于大廠礦田籠箱蓋隱伏巖漿房的頂部，距離籠箱蓋花崗巖體約500 m，具有接觸交代型鋅銅礦床的構(gòu)造特征(接觸交代型鋅銅礦床，位于大廠礦田籠箱蓋隱伏巖漿房的頂部及其周邊，這類礦床成礦作用主要集中在巖漿房高位突出的頂界面凹凸部位及其內(nèi)外接觸帶范圍)。此外，根據(jù)大廠礦田地表巖石地球化學(xué)Sn、Zn、Sb、Cu元素異常平面示意圖，籠箱蓋—茶山區(qū)地表Sb、W、Zn、Cu礦化強烈，反映了深部可能存在隱伏Zn-Cu和Sb-W礦床[7]；大廠礦田ΔT高精度磁測化極上延500 m垂向二導(dǎo)異常圖顯示，異?？傮w圍繞隱伏花崗巖體呈環(huán)狀分布，反映礦液活動可能來源于隱伏花崗巖體或受到巖漿的驅(qū)動[18]?；谝陨涎芯?，推測隱伏礦體C3可能為矽卡巖型鋅銅礦床，后期疊加銻鎢礦床。

4.2 成礦物質(zhì)——流體來源和高阻隱伏巖漿侵入體

老地層富含的成礦物質(zhì)和晚古生代地層中的成礦物質(zhì)，與大氣水、地層水、封存水等攜帶的成礦物質(zhì)在相對穩(wěn)定的地段儲存起來，成為高濃度的成礦流體[31]。在推斷的泥盆系地層下方存在著一個顯著的高阻體 R2(圖6)，被中高阻的區(qū)域包圍，位于NW向籠箱蓋斷裂帶的中間位置，屬于籠箱蓋花崗巖體在南側(cè)延伸的支脈。礦田內(nèi)產(chǎn)出的巖漿巖屬燕山晚期中酸性侵入體，巖性以黑云母花崗巖為主。根據(jù)電阻率模型，巖漿巖隆起埋深約1.5 km，以陡直巖墻沿NW向斷裂延伸?；◣r體作為成礦物質(zhì)的主要來源，為礦體的形成提供主要的成礦物質(zhì)和熱動力，成礦熱液由巖體向外流動并在有利的構(gòu)造部位交代充填成礦。

4.3 控礦因素

根據(jù)大廠礦田鉆孔中巖心樣品分析結(jié)果認為，大廠錫多金屬礦的形成受地層、構(gòu)造和巖漿巖的共同作用。大廠礦田礦化幾乎無一例外地集中在泥盆系的不同層位中，主要控礦層位是中泥盆統(tǒng)到上泥盆統(tǒng)早期地層[32]。中帶矽卡巖型礦床賦存在中、上泥盆統(tǒng)泥灰?guī)r及扁豆?fàn)?、條帶狀灰?guī)r地層，石英脈型礦床(Sb、W礦床)的賦礦地層為中、上泥盆統(tǒng)泥灰?guī)r、頁巖、硅質(zhì)巖、扁豆?fàn)詈蜅l帶狀灰?guī)r地層。另外，礦區(qū)泥盆系地層存在諸如灰?guī)r與泥巖、頁巖、泥頁巖等互層現(xiàn)象，灰?guī)r在構(gòu)造作用下易于破碎，形成一些有利于礦液充填的容礦空間，泥巖、頁巖及泥頁巖等低滲透性巖石則扮演了蓋層的角色，使得泥盆系地層具備良好的儲蓋組合[33]。

區(qū)域性的大構(gòu)造控制了成礦帶、礦田、礦床的形成與分布，而礦區(qū)范圍內(nèi)的小構(gòu)造則控制了礦體的形態(tài)、產(chǎn)狀。NW向的深大斷裂在區(qū)域地質(zhì)擠壓、拉張作用下，往往成為混合成礦流體運移的通道；而NE、SN和EW3組次級斷裂構(gòu)造控制了礦體的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。背斜軸部易產(chǎn)生軸向斷裂構(gòu)造和虛脫空間，是礦液充填的有利場所。大廠礦田的容礦構(gòu)造主要為層間滑脫破碎帶、細(網(wǎng))脈狀裂隙構(gòu)造、NE向大脈狀裂隙構(gòu)造及巖漿侵入接觸帶構(gòu)造，層間滑脫破碎帶是大廠礦田最主要的控礦構(gòu)造類型。流體包裹體特征和 He、Ar、S 同位素組成共同表明，銅坑—長坡礦床脈狀及層狀礦體具有相同的成礦物質(zhì)來源和相同的成因，成礦作用與燕山期構(gòu)造、巖漿熱事件有關(guān)[34]。

4.4 成礦機制

根據(jù)南丹地區(qū)1∶20萬區(qū)域重力及航磁資料，結(jié)合廣西地區(qū)1∶100萬區(qū)域重力、地震測深資料綜合推斷，NW向斷層可能達到下部地殼，甚至上地幔[16,19,22]。電性結(jié)果表明紫云—埡都斷裂帶中、下地殼及上地幔高導(dǎo)體主要是巖石圈物質(zhì)局部熔融，幔源巖漿底侵地殼產(chǎn)生的熱量使上覆成熟地殼發(fā)生部分熔融[35]。上地幔物質(zhì)的局部熔融產(chǎn)生大量的熱使上覆地殼發(fā)生部分熔融，斷裂構(gòu)造為中、下地殼(及少量上地幔物質(zhì))的巖漿熱液和深部地幔熱源向上運移提供了通道[35-36]。基于3He/4He比值高和富CO2流體的存在，認為在銅坑—長坡礦床成礦過程中有少量深部地幔流體的參與，另外，高的R/Ra比表明了礦液中存在地幔物質(zhì)的貢獻[21]。根據(jù)對稀土元素含量和S、Pb等元素的同位素分析，也得出了類似的結(jié)論[37-41]。

根據(jù)成礦模式的綜合描述，得到研究區(qū)電性約束下的大廠錫多金屬礦理想化成礦模式圖(圖7)。晚白堊世時期，華南西部地區(qū)軟流圈上涌并誘發(fā)巖石圈地幔部分熔融，幔源巖漿底侵地殼產(chǎn)生足夠的熱使上覆成熟地殼發(fā)生部分熔融。燕山運動期間本區(qū)深部的巖漿活動強烈，中、下地殼(及少量上地幔物質(zhì))的巖漿熱液和深部地幔巖漿沿上涌到淺層泥盆系地層。巖漿作用推動原有的成礦流體和巖漿流體帶來的成礦物質(zhì)在SN向斷裂和NE向構(gòu)造帶等構(gòu)造附近的減壓地帶成礦，形成部分層狀礦體和大部分的脈狀礦體，同時有中性—酸性巖漿侵入[7]。泥盆紀至白堊紀形成了一個完整的成礦時空格架:泥盆紀時期，區(qū)域性控礦斷裂形成；印支—燕山期，強烈的擠壓褶皺作用和拉張形成層間裂隙和次級斷裂等容礦構(gòu)造；晚白堊世時期，中酸性巖漿侵入(深、淺源流體混合)，后經(jīng)成礦流體分異，在中上泥盆統(tǒng)地層富集成礦。

圖7 大廠礦田成礦模式(據(jù)廣西二一五地質(zhì)隊資料修編)Fig.7 Metallogenic model diagram of Dachang deposit(modified by data of the 215 geological team,Guangxi province)

5 結(jié)論

1)根據(jù)先前重力和大地電磁測深的結(jié)果，NW向斷裂構(gòu)造為切穿莫霍面的深大斷裂，斷裂構(gòu)造為中、下地殼(及少量上地幔物質(zhì))的巖漿熱液和深部地幔熱源向上運移提供了通道。

2)利用大廠礦田AMT剖面反演結(jié)果初步圈定了隱伏花崗巖和隱伏礦體的位置；花崗巖成脊?fàn)盥∑穑茰y礦體發(fā)育自底部花崗巖體，表明花崗巖具有明顯的控礦作用。推測晚白堊世時期，深部成礦流體和巖漿熱液沿斷裂上涌到淺層泥盆系地層中，經(jīng)結(jié)晶分異作用形成籠箱蓋花崗巖體和隱伏礦體。

致謝:在野外數(shù)據(jù)采集與資料收集中，得到了廣西大廠礦田蘇亞汝總工的大力支持，在此表示感謝。